氧化鋁廠MVR蒸發器與傳統管式降膜蒸發器相結合的新方式

李文斌

（東北大學設計研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110000）

氧化鋁原液蒸發是氧化鋁生產工藝中一個關鍵工序，在蒸發過程中需要利用蒸發器，蒸發器作為氧化鋁廠蒸汽系統中的核心裝置，其主要作用是利用蒸汽的熱量對氧化鋁原液進行加熱蒸發，是氧化鋁生產中的水量和排出雜質鹽類得到平衡，進而使其達到一定的濃度。根據國內鋁土資源的特征以及生產需求，大部分氧化鋁廠均采用管式降膜蒸發器來對氧化鋁進行生產，根據蒸發方式的不同，氧化鋁廠蒸發技術分為單效蒸發和多效蒸發，而管式降膜蒸發器就屬于單效蒸發[1]。管式降膜蒸發器沒有靜壓區和過熱區，在實際應用過程中換熱效果比較好，并且蒸發效率比較快，工藝操作比較簡單，適用性較強，這也是管式降膜蒸發器被廣泛應用在氧化鋁生產領域中的主要原因[2]。但是管式降膜蒸發器屬于單效蒸發，單效蒸發的特點是單位能力消耗較大，并且氧化鋁原液完成一次加熱蒸發后，如果氧化鋁濃度指標不達標，還需要重新返回蒸發器繼續蒸發，直到氧化鋁濃度符合生產標準，將會消耗大量能量，雖然管式降膜蒸發器經過了多次升級和改造，但仍然存在耗能高、循環效率低等弊端[3]。據第十一屆氧化鋁廠蒸汽技術交流會統計數據顯示，氧化鋁廠蒸汽耗能占總生產耗能的35.4%～46.1%，蒸汽投資成本占總生產成本的26.4%～34.5%，由此可見基于傳統管式降膜蒸發器的蒸發方式已經無法滿足氧化鋁廠節能生產需求，為此提出氧化鋁廠MVR蒸發器與傳統管式降膜蒸發器相結合的新方式。MVR蒸發器作為一種多效蒸發設備，其能夠對二次蒸汽進行回收利用，具有節能減排優點，目前MVR蒸發器已經成功用于醫藥、食品、造紙等生產領域中，但在國內氧化鋁廠尚無使用先例，此次將MVR蒸發器與傳統蒸發器相結合，形成一種新的蒸發方式。

1 氧化鋁廠MVR蒸發器與傳統管式降膜蒸發器相結合的新方式

此次根據氧化鋁廠生產需求，降低氧化鋁蒸發能量消耗，將MVR蒸發器與傳統管式降膜蒸發器的優點與缺點相結合，首先利用傳統管式降膜蒸發器對氧化鋁原液進行首次加熱蒸發，然后利用管式降膜蒸發器蒸發過程中產生的蒸汽進行收集，利用管束將蒸汽傳輸到MVR蒸發器中，MVR蒸發器利用蒸汽的熱量對氧化鋁原液在進而二次蒸發，直到達到氧化鋁蒸發濃度要求。這種MVR蒸發器與傳統管式降膜蒸發器相結合的新方式可以節約能力消耗，以下將對這種新的蒸發方式進行詳細說明。

1.1 傳統管式降膜蒸發器過濾氧化鋁原液雜質

MVR蒸發器對蒸汽溫度有一定的要求，蒸汽溫度通常為76℃～82℃左右，其不能達到氧化鋁蒸汽溫度標準，并且氧化鋁原液中通常情況下會含有部分原料顆粒，MVR蒸發器管束半徑較小，容易造成堵塞，所以氧化鋁廠不能直接用MVR蒸發器對氧化鋁原液進行蒸汽，因此首先利用傳統管式降膜蒸發器對氧化鋁原液中多余的雜質過濾出去，同時將原液中的大量水分排除，然后再用MVR蒸發器對氧化鋁液體進行多效蒸發。

管式降膜蒸發器由加熱蒸發室、循環管束、氣流通道以及制冷劑分配器四部分組成，氧化鋁原液經循環管束將其傳送到加熱蒸發室的頂部，然后由制冷劑分配器分布制冷劑后，在重量的作用下使氧化鋁原液自上而下流動，氧化鋁原液在加熱狀態下變成蒸汽，最后蒸汽經過氣流通道流出體外[4]。管式降膜蒸發器在對氧化鋁原液雜質進行過濾之前，首先將蒸發器的循環管束采用叉排的方式進行排列，并且降膜區的管束采用轉45°三角形排列，滿液區的管束采用矩形排列，這種排列方式可以降低滿液區的位置，以此減少制冷劑的使用量，降低管式降膜蒸發器的萃取成本[5]。此外，管束與管束之間的距離在條件允許的范圍內進行小，通常情況下在0.15m～0.18m之間，這樣可以取得良好的換熱效果。排列完管序之后，對管式降膜蒸發器的運行參數進行合理設定，運行參數的設定將直接關系到氧化鋁原液蒸汽質量，根據氧化鋁廠蒸汽需求，設定管式降膜蒸發器運行參數如下表所示。

表1 管式降膜蒸發器運行參數

除此之外，為了保證管式降膜蒸發器在運行過程中能夠形成連續的氧化鋁液膜，氧化鋁廠蒸汽物料的操作流量需要大于氧化鋁液膜最小成膜流量，如果物料的操作流量需要小于氧化鋁液膜最小成膜流量，則管式降膜蒸發器不能保持連續、穩定的成膜，氧化鋁液膜最小成膜流量計算公式如下：

公式（1）中，xmin為氧化鋁液膜最小成膜流量，單位為kg/（h.m）；d為管式降膜蒸發器物料的黏度，單位為kg/（h.m）；l為物料密度，單位為kg/m3；a為物料的表面張力，單位為N/m。利用上述公式計算出氧化鋁液膜最小成膜流量，對管式降膜蒸發器參數進行設定[6]。在設定管式降膜蒸發器參數之后，將氧化鋁廠鍋爐產生的蒸汽通過管束傳輸到管式降膜蒸發器中，對管式降膜蒸發器內溫度進行預熱，當蒸發器內溫度達到110℃時，將氧化鋁原液導入到蒸發器循環管束內，同時在蒸發器制冷劑分配器加入制冷劑，制冷劑的質量流量取值要與制冷產生的蒸汽質量流量相等，這樣可以使管式降膜蒸發器滿液區內液體始終保持穩定，進而使管式降膜蒸發器性能達到最優[7]。管式降膜蒸發器對氧化鋁原液過濾的時間最好保持在15min～25min之間，氧化鋁原液蒸汽經過冷卻變成液體流出體外，多余的雜質會滯留在蒸發器底部雜質槽中，以此完成氧化鋁原液與雜質的分離。

1.2 MVR蒸發器多效蒸發氧化鋁原液

當氧化鋁原液經過管式降膜蒸發器萃取之后，其濃度指標不符合標準，因此利用MVR蒸發器對加熱蒸發得到的氧化鋁液體進行多效蒸發。首先利用蒸汽管將管式降膜蒸發器加熱蒸發過程中產生的蒸汽傳送到MVR蒸發器體中，管式降膜蒸發器加熱蒸發過程中產生的蒸汽溫度為70℃～80℃之間，正好符合MVR蒸發器對蒸汽的要求[8]。蒸汽管的長度需要根據管式降膜蒸發器到MVR蒸發器之間的直接距離來設定，為了降低蒸汽管管壁溫度對蒸汽溫度的影響，蒸汽管的半徑要控制在15cm～20cm之間，蒸汽管材質選用耐熱性能良好的pom碳纖維塑料原料。MVR蒸發器屬于多效蒸發設備，共有六個效數，其中一效面積為1400m2～1600m2；二校面積在1600m2～1800m2之間；三效面積為1800m2-2000m2之間；四效面積為2000m2～2200m2之間；五效面積為1800m2～2000m2之間；六效面積為1600m2～1800m2之間。這種多效蒸發設備在運行之前，需要對氧化鋁蒸發原液、氧化鋁蒸發母液、新蒸汽、新蒸汽冷凝水、二次蒸汽冷凝水、循環上水、循環回水等參數進行設置，下表為MVR蒸發器參數設置表。

表2 MVR蒸發器參數設置表

設定完參數后，開啟蒸汽管閥門，將蒸汽順利流入MVR蒸發器內對蒸發器內溫度進行預熱，當溫度達到70℃～75℃時，將加熱蒸發后的氧化鋁液體倒入一效管束中，氧化鋁液體經過多效蒸發后，將最后的蒸汽進行冷卻流出蒸發器體外，對氧化鋁液體濃度進行檢測，如果檢測濃度不符合標準，繼續返回MVR蒸發器進行蒸發，直到符合標準為止，以此完成氧化鋁廠MVR蒸發器與傳統管式降膜蒸發器相結合的新方式研究。

2 結束語

此次結合相關文獻資料，將氧化鋁廠MVR蒸發器與傳統管式降膜蒸發器相結合，形成氧化鋁廠一種新的原液蒸汽方式，有利于提高氧化鋁廠生產效率，降低氧化鋁廠運營生產成本，節約能源消耗，為氧化鋁廠帶來實際的經濟利益，同時還有利于優化氧化鋁廠蒸發技術，具有一定的工程應用價值，對氧化鋁廠MVR蒸發器與傳統管式降膜蒸發器相結合的新方式研究具有一定的借鑒意義。由于此次研究時間有限，雖然取得了一定的研究成果，但在研究內容上還存在一些不足之處，今后仍會對氧化鋁廠MVR蒸發器與傳統管式降膜蒸發器相結合的新方式進行深一步研究，提高氧化鋁廠蒸發裝置的性能，以使用于更廣泛的蒸發領域。